强化空气泡沫驱在W20断块的应用研究

张明龙,汤继华,周 贤,郝紫嫣,黄 伟

1.中国石油华北油田工程技术部,河北任丘062550

2.中国石油华北油田勘探开发研究院,河北任丘062550

1 空气泡沫驱概述与油藏概况

空气泡沫驱是利用空气加起泡剂经气液接触后产生泡沫的原理，在多孔介质中渗流时，以不断破灭、再生的方式向前推进（如图1所示），由此实现对储层中原油进行驱替的技术。由于“贾敏效应”[1-2]，泡沫在地层中的流动阻力增加，可有效封堵大孔道，改变液流方向，防止气窜产生[3]，有一定的微观调剖作用[4-5]，具有“堵大不堵小”和“堵水不堵油”的选择性封堵作用；同时能较大幅度地降低油水界面张力，改变岩石的润湿性，可显著提高驱替介质在非均质油层的波及系数，从而提高采收率[6-14]。强化空气泡沫驱是在泡沫剂中加入稳泡剂，从而大幅改善泡沫的稳定性能，减少泡沫的破灭。其在经过管道、井筒及炮眼的剪切后，仍能有效地进入地层，提高了注入地下泡沫体系的连续性，增强了泡沫对大孔道的封堵能力[15-17]，同时可减少因为泡沫消泡而造成注入压力的波动。

图1 泡沫的形成与破灭

W20断块构造属于冀中坳陷霸县凹陷文安斜坡议论堡鼻状构造，断块受两条北东向断层控制，主要含油层位为沙二段顶部的Ⅰ油组，地质储量151.39×104t。断块平均孔隙度22%，平均渗透率50.8×10-3µm2，为中孔、中渗储层。地层原油黏度8.8 mPa·s，地层温度80.4℃。目前区块日产油18.59 t，综合含水94.59%，采出程度22.14%。先后经历了注水开发调整及多轮次的调驱，但受调驱体系耐温性、地层非均质性等因素的影响，调驱效果逐年变差。主力层长期主产主吸，加之边底水侵入，已经形成优势水流通道（见图2），油井普遍高含水，目前弱水驱方向油井见效不明显，甚至长期见不到注水效果，水驱动用程度逐年降低，严重制约断块的开发效果。

图2 水流优势通道

2 室内实验

2.1 实验试剂、仪器与方法

（1）试剂。8种起泡剂为有效物含量在75%以上的阴离子型起泡剂，3种稳泡剂为多糖聚合物、黄原胶、聚丙烯酰胺，实验用水为W20断块过滤采出水，原油为W20断块脱水后混合原油，砂为石英砂。

（2）实验仪器。包括：Ross-miles泡沫测试仪、34BL99型搅拌仪、泡沫驱替装置。

（3）实验方法。利用油田采出水与8种起泡剂配置不同泡沫体系，并评价不同起泡剂在不同浓度下的发泡率和析液半衰期，在筛选起泡剂的基础上添加稳泡剂形成强化泡沫体系，评价强化泡沫体系的热稳定性、吸附性等，并进行强化泡沫驱油实验。

2.2 实验结果分析

2.2.1 起泡剂筛选

8种不同浓度起泡剂的起泡性能及稳定性能如图3、图4所示。从图中可以看出，在质量分数达到0.4%后起泡率和析液半衰期不再上升，趋于平衡，而HTPM-1的起泡率最高，析液半衰期最长，所以选择HTPM-1作为起泡剂。

图3 不同质量分数起泡剂的起泡率

图4 不同质量分数起泡剂下的析液半衰期

2.2.2 稳泡剂筛选

在添加质量分数为0.4%起泡剂HTPM-1的基础上添加3种不同质量分数的稳泡剂，形成强化泡沫体系，评价在不同质量分数下体系的起泡性能和稳泡性能，实验结果如图5、图6所示。随着稳泡剂质量分数的增加，强化泡沫体系的起泡率下降，这是因为稳泡剂具有稳定体系结构的多链结构，会抑制起泡剂的活性，从而影响起泡率；而析液半衰期随着稳泡剂质量分数的增加先增大后减小，这是因为具有多链结构的稳泡剂会吸附在泡沫表面，形成紧密的混合膜，增加了膜的弹性，降低了起泡剂的吸附速度，从而使形成的泡沫气泡更稳定[18]，但是过大质量分数的稳泡剂会使多链结构因为相互搭接过多而断裂，因此超过临界浓度后会影响泡沫的发泡性能和稳定性能，所以稳泡剂质量分数选择0.03%。

图5 不同浓度下3种稳泡剂起泡率

图6 不同浓度下3种稳泡剂析液半衰期

2.2.3 强化泡沫体系的抗老化与抗吸附性能评价

强化泡沫体系在进入地层后，由于地层温度较高，包裹气体的泡沫液膜蒸发加剧，加速了液膜破裂速度，另外还会使液膜表面的黏度和弹性降低，液膜强度下降，所以耐高温老化性能直接影响着强化泡沫的稳定性，从而影响驱油效果。将配制好的配合比为0.4%质量分数HTPM-1+0.03%质量分数多糖聚合物强化泡沫体系放置在80℃（地层温度）烘箱中恒温30 d，采用waring搅拌器搅拌1 min，而后测定强化泡沫体系的起泡率和析液半衰期。

当泡沫体系在地层中渗流时，由于它们之间的相互作用，一些分子（或原子、离子）会停留吸附在地层岩石表面上，造成强化泡沫体系稳定性的降低，所以泡沫体系的抗吸附性是影响泡沫体系驱油效率的重要因素之一，同样将配制好的强化泡沫体系与石英砂振摇混匀，在80℃、振荡频率为120次∕min的条件下振荡24 h，而后分离出吸附后的强化泡沫体系，并测定吸附后体系的起泡率和析液半衰期。以上实验结果见图7。

图7 强化泡沫体系的抗老化性及吸附性评价

从实验结果看，强化泡沫体系在老化及吸附后，起泡率及析液半衰期均有所下降，但下降幅度不大，仍能维持在较高水平，且没有沉淀和浑浊现象，因此强化泡沫体系的热稳定性和抗吸附性较强。

2.2.4 强化泡沫体系的抗压性能评价

强化泡沫体系进入地层后，在地层压力及泡沫内部气体的共同作用下，泡沫会发生破裂，泡沫液的连续性下降，对地层大孔道的封堵效果变差，无法建立有效压差，影响驱油效率，因此需要对强化泡沫液进行抗压性能评价。将配制好的强化泡沫体系在80℃条件下注入可视岩心中，考察在3、6、9、12 MPa下泡沫的状态，结果发现在12 MPa的条件下，泡沫仍能保持较好的起泡及稳泡状态（见图8），因此强化泡沫体系具有较好的抗压性能。

图8 不同压力下强化泡沫体系的状态

2.2.5 气液比性能评价

当气∕液比较小即气体量较少时，溶液生成泡沫所需的气体量不足，不能形成有效泡沫，泡沫封堵能力较弱；但当气∕液比过大时，泡沫体系中液体组分越少，越容易引起液体传输间断，从而导致气体突破而发生气窜。

在岩心驱替实验中，考察了不同气液比时的封堵能力，用阻力因子Z来表征泡沫在岩心中的封堵强度大小，阻力因子越大，气体发生窜流的机会越少，在介质中封堵的作用就越大，泡沫体系的封堵效果就越好[19-21]。

式中：Z为阻力因子；ΔPfoam为注入泡沫时岩心两端的压差，MPa；ΔPbrine为注水时岩心两端的压差，MPa。

在地层温度80℃时，利用渗透率为40.37 mD、孔隙度为17.51%的贝雷岩心进行强化泡沫体系（0.4%起泡剂+0.03%稳泡剂）的驱替实验，考察不同气液比的阻力因子，结果见表1。

表1 不同气液比下的阻力因子

从阻力因子实验结果可看出，随着气液比的增加，阻力因子先增加后减小，最佳气液比为2∶1，此状态的强化泡沫体系具有较强的封堵能力，可以满足泡沫驱提高采收率的技术要求。

2.2.6 室内驱油实验

利用W20原油配制模拟的地下油，模拟地层温度80℃，岩心数据包括：贝雷岩芯，尺寸为3.8 cm×38 cm，渗透率40.37 mD，孔隙度17.51%，在水驱阶段采收率达到44.8%的极限后进行强化泡沫驱，强化泡沫体系注入后含水率明显降低，随着注入体积的增加，采收率继续增加，强化泡沫驱结束后再水驱至含水98%，强化泡沫驱阶段提高采收率8.18%，最终提高采收率为15.46%，驱油效果较好，见图9。

图9 强化泡沫驱油实验曲线

3 泡沫驱数值模拟研究

3.1 模型建立

利用Petrel软件建立W20断块三维地质模型，见图10，在地质模型的基础上建立油藏的构造、沉积相和属性模型，模型纵向上共划分为8个有效模拟层，目的层三维网格数为328 176个，地质储量 150.51×104t，模型平均渗透率 53.4×10-3µm2，平均孔隙度21.3%。对W20断块的生产历史进行拟合，见图11。通过调整油藏连接水体、压力大小，使得模拟结果能反映油井的真实生产情况，在对单井进行调整的同时，拟合油藏的总体指标，拟合指标主要包括累积产油量、综合含水率、压力等。经过合理的参数调整，整体指标和单井与实际生产情况拟合较好，保证了模型计算的可靠性，为强化泡沫驱指标预测提供了较可靠的依据[22-23]。

图10 断块深度属性模型/m

图11 断块含水量拟合曲线

3.2 数值模拟研究

在建立W20断块地质模型的基础上，利用CMG软件STARS模块，开展断块强化泡沫驱数值模拟研究。

3.2.1 注入方式选择

泡沫驱在注入过程中可分为气、液交替注入和气、液同时注入，利用数值模拟预测不同注入方式的驱油效果，见图12。由图12可见，在注入量为0.18 PV时，气、液交替注入和气、液同时注入的效果均优于水驱效果，而气、液同时注入的效果又优于交替注入，这是由于在交替注入过程中，气、液未能充分混合形成气泡，未能发挥泡沫在地层中的封堵作用，造成大量气体在地层聚集，从而导致过早见气并形成气窜，因此注入方式选择气、液同注的方式。

图12 不同注入方式开发效果

3.2.2 注入量优化

对不同注入量进行生产预测（见图13）结果显示，随着注入量的增加，累计产油量逐渐增加，但注入量达到0.18 PV以后，累计产油量增速趋于平缓，增油幅度下降，因此注入量选择0.18 PV。

图13 不同注入量时的开发效果

3.3 方案效果预测

利用数值模拟软件进行W20断块强化泡沫驱生产预测，强化泡沫体系注入时间为2.7年，预测生产时间为10年，断块实施强化泡沫驱后，累计增油12.7×104t，较预测水驱提高采收率8.4%，日产油最高达到504 t，含水平均下降15%，强化泡沫驱在W20断块具有良好的应用前景。

4 现场实施效果

2020年开始在W20断块注入强化泡沫体系，截止目前已完成总注入量的45%，断块整体表现为液量上升（见表2）一线油井含水有所下降，二三线油井含水暂未开始变化，断块注入压力较水驱上升1.8 MPa，强化泡沫驱在W20断块处于持续产生效果中。

表2 强化泡沫驱注入初期效果

5 结论

（1）通过室内实验研究，筛选出性能较好的起泡剂HTPM-1、稳泡剂多糖聚合物，而质量分数为0.4%HTPM-1+0.03%多糖聚合物的强化泡沫体系具有较强的起泡性能和稳定性能，同时抗老化性、抗吸附性及抗压性能均能保持较好的水平；强化泡沫体系注入气液比为2:1时，封堵能力最强，室内驱油实验结果表明采收率提高了15.46%。

（2）利用数值模拟软件模拟不同注入方式的采收效果，结果显示强化泡沫体系注入采用气液同注的方式效果最好，而注入量在0.18 PV时驱油效果及经济效益最佳。

（3）现场强化泡沫注入初期，断块整体产液量上升，一线油井含水下降，注入压力较水驱时上升1.8 MPa。